蜂窝物联网技术标准演进

摘要: 蜂窝物联网的技术代表目前主要是NB-IoT和eMTC,此类技术工作于2G/3G/4G授权频谱上,属于传统的蜂窝技术,更加受到全球运行商的青睐,也成为通信运营商与物联网业务结合的切入手段。

1、背景

物联网是近年来全社会关注的热点,通过传感设备将任何机器、物体接入网络做到万物互联,满足人类不出户可知万物的体验。物联网本着提高生产效率, 扩展人类能力, 改善人类社会生活的主旨,涉及到 智能制造, 车联网, 智慧城市, 数字医疗等等与生活生产息息相关的领域。

伴随着美国政府倡议的“智慧地球”以及我国提出的“感知中国”等物联网战略产生,整个产业近几年来在全世界飞速迅猛发展。据IDC预测,至2020年,全球物联网将达到300亿连接,其中蜂窝物联网将达到20亿连接。我国工信部办公厅下发《关于全面推进移动物联网NB-IoT建设发展的通知》明确指出2017年全国NB-IoT基站建设规模达到40万,连接数超过2000万,到2020年,基站规模达到150万,连接数超过6亿,并且实现全国的普遍覆盖与深度覆盖。由此可见物联网发展的高潮已经到来。

物联网从技术角度,分成蜂窝物联网和非蜂窝物联网。非蜂窝物联网主要以工作于非授权频谱的loraSigfox为代表,也包括IEEEWi-FiZigbee这类短距无线通信技术。蜂窝物联网的技术代表目前主要是NB-IoTeMTC,此类技术工作于2G/3G/4G授权频谱上,属于传统的蜂窝技术,更加受到全球运行商的青睐,也成为通信运营商与物联网业务结合的切入手段。下文中将对NB-IoTeMTC的技术演进过程进行着重分析。

2   蜂窝物联网技术标准演进

NB-IoT标准化进展:从20145月华为与Vodafone提出NB M2M技术开始,NB-IoT经历了多次融合和更替,其中比较重要的有20148月高通提出的NB OFDM20155月提出的NB-CIoTNB-LTE等相关技术。20166163GPP RAN全会第72次会议上,NB-IoT核心协议完成冻结。在R13标准中,NB作为一个全新标准的技术,其空口技术相比LTE进行了简化和重新设计:180kHz窄带系统和上行3.75kHz的子载波间隔能有效提高网络覆盖,从而满足至少比GSM20dB以上的链路预算设计目标(MCL164dB);UE仅支持半双工,且增加了PSMeDRX功能,能有效降低终端功率,节约终端成本。3GPP R14NB-IoT提出新增定位功能、SC-P2M下行广播功能、非连接态移动性增强功能,可以满足更多场景需要,提高网络可靠性。而在3GPP R15中对NB-IoT未来演进趋势进行了预测和要求,包括通过同时在上下行引入SPS(半静态调度),上下行数据传输的提前终止,机器设备在非RRC连接态时传输数据等手段进一步降低功率损耗和延长电池寿命,另外要求NB-IoT未来支持TDD技术,并可以在非授权频谱上工作以适应更多运营商和客户的需求。图1 NB-IoT标准演进过程。


1   NB-IoT标准演进过程 

LTE-eMTC标准化进展:为了满足MTC更低传输速率小及更低功耗的需求,3GPP R12新增Cat0UE传输等级,UE工作带宽为20MHz,支持半双工,最大发生功率为23dBm;3GPPR13eMTC进一步简化终端功能并正式制定,UE工作带宽为1.4MHz,支持半双工,UE可使用更低发生功率20dBm3GPP R14阶段也将新增定位功能、SC-P2M下行广播功能,异频测量功能等。在3GPP R15中对LTE-eMTC面向5GmMTC的未来演进趋势进行了分析和预测,eMTC需要引入阻塞控制技术来实现对超大量连接的控制和协调;需要实现在非授权频段的使用能力,减少机器类物联网通信业务对传统业务的影响;另外需要引入更加紧凑的DCI信息,并增强小区搜索能力,来进一步降低时延;并且为了对接5G大连接,还要相应提升覆盖能力。LTE eMTC相比于NB-IoT能够提供更高的传输速率,具有一定的移动性,可以满足更加丰富的业务场景需要,但受限于产业链发展,整体发展和部署进度落后于NB

2   eMTC标准演进过程

NB-IoTeMTC两种技术,分别适用于低功率广覆盖场景和高比特率的物联网业务场景,两种技术覆盖方式、覆盖能力、带宽、速率都根据不同业务场景的需要有不同的技术设计。其中NB-IoT覆盖能力强、终端功耗低,能够较好的支持广度、深度覆盖要求高、电池续航要求高的业务;eMTC速率高、移动性好、容量大,能够较好的支持实时性、交互性、准确度要求高的业务。图3 NB-IoTeMTC能力对比。具体到指标上来看:

  • 覆盖:NB-IoTMCL(允许的最大路损)为164dBeMTCModeA)的MCL146dBNB-IOTeMTC18dB(一堵墙的穿损约10dB)。

  • 容量:eMTC带宽为1.4MHzNB-IoT带宽为180kHz,而两种技术频谱效率相近,单载波eMTC的容量要远大于NB-IoT

  • 速率:在好点、中点,eMTCModeA)单用户速率是NB-IoT7-10倍,这意味着承载相同业务时,eMTCModeA)时延是NB-IoT1/7-1/10,一些时延要求高的业务如移动POS机要求3s时延,更适宜用eMTC承载。

  • 移动性:eMTCModeA)重选时延为70-100ms,是NB-IoT1/7-1/10,移动性性能远优于NB-IoT


3  NB-IoTeMTC能力对比

综上来看,两个技术(NB-IoTeMTC),优点很明显但缺陷也很明显。而随着标准演进过程的进行,二者从在R13标准制定开始针对不同场景的两种技术手段,到R14R15版本针对自己缺陷进行演进,两个蜂窝物联网的主要技术在多个方面逐步走向雷同,而3GPP同样规定,未来某些特定场景下,部分物联网UE可以既支持eMTC的部分特性,同时支持NB-IoT的部分特性,所以二者在演进道路上是分而化之,还是融而合之,是3GPP目前关于蜂窝物联网技术发展的重点关注之一,而无论演进的路线如何,在不久的将来一定会有一套完整的技术标准来全面满足5GmMTC场景的指标要求。

3、三大运营商关于蜂窝物联网的部署演进策略

中国电信: 计划2017年完成全国覆盖,具备NB商用能力;成立天翼物联产业联盟,积极探索新业务。

  • 部署策略:L800NB800同步到位,NB-IoTL800M全网升级,快速部署2017年实现商用;2018年考虑1.8G2.1G引入eMTC。

  • 部署规模:20176月完成31L8002T4R)新建,要求设备支持NB IoT。现网厂家L800基站通过升级支持NB,不需增加新硬件。全国对标36城市L80076900站完成升级,2017年发展2800万连接数。

中国联通:利用FDD网络储备NB-IoT能力, 20169个城市试点,计划2017年完成商业部署,积极探索业务和商业模式。

  • 部署策略:打造统一运营的多频多制式中低速物联网络,采用900MHz1800MHz混合组网,以1800M升级为主的策略优先部署NB-IoT,适时引入eMTC。

  • 部署规模:“NB1800为主 + NB900为辅”,规划建设4.6NB站点。

中国移动:NB-IoT可采用Standalone方式独立部署,计划2017年完成全国覆盖,具备NB商用能力。

  • 部署策略:以900MHz目标网架构进行NB-IoT网络规划,考虑蜂窝物联网的投资收益率问题,采取“普遍基础覆盖+局部按需加密覆盖”的规划策略。

  • 部署规模:全国规划建设14.6NB站点。? 

4、结束语

随着三大运营商在我国对蜂窝物联网基站的大规模部署,更多的芯片和终端会融入网络,新的业务需求也会推动技术不断向前发展。面向未来5G,蜂窝物联网技术将会逐步突破覆盖瓶颈,加强低时延高可靠性能力,以不同的演进路线,满足于更加多样化的业务,改变生活、改变社会。



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